某通航建筑物水力特性试验研究

2021-02-26杨志波姜雪宾吕晓慧

东北水利水电 2021年2期

杨志波，赵青，姜雪宾，吕晓慧，张黎

（1. 黑河市爱辉区水利技术服务中心，黑龙江黑河164300；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司科学研究院，吉林长春130061；3.辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳110006；4.辽宁省水利事务服务中心，辽宁沈阳110003）

某公路大桥原设计方案布置型式为：主桥710 m，桦皮山桥240 m，桥总长为950 m。推荐方案在原方案基础上主桥沿桥轴线向左岸平移15 m，再以8号墩为中心逆时针旋转8°，后又沿桥中心线向左岸边平移20 m。推荐方案布置型式为：主桥770 m，滩桥270 m，桦皮山桥420 m，桥总长1460 m。

1 试验的基本情况

试验采用整体定床和局部动床模型来研究桥梁布设及其对通航、行洪、河床演变的影响，嫩江干流河道属宽浅型，模型定为变态，平面比尺300，垂直比尺80，变率为3.75，模型平面尺寸41.7 m×16.3 m，研究河段河道比降在0.31‰～0.36‰，模型高约0.5 m。

考虑以前的研究经验和现场查勘情况，推移质泥沙对嫩江河道起决定性造床作用，该河工模型试验模型沙采用粉煤灰。

河工模型设计应用相似率理论，使模型尽量和现状河道相类似。通过河道水位、水流流态以及冲淤变化对模型试验进行率定，适当调整相关模型比尺，保证主要水力学特性相似，使河工模型试验成果满足规范和研究内容要求。

2 河工模型试验成果

2.1 水面线成果

河工模型选取表1 中几级典型洪水流量进行施放，测得水面线成果如图1 所示。

表1 桥位河段设计频率流量和试验尾水水位流量关系表

与现河道相比，施放P=0.33%洪水时，原设计方案和推荐方案桥前壅水高度为0.47 m、0.18 m；施放桥梁设计标准P=1%洪水时，原设计方案和推荐方案桥前壅水高度为0.38 m、0.09 m；施放P=2%洪水时，原设计方案和推荐方案桥前壅水高度为0.28 m、0.08 m；施放两岸堤防防洪标准P=5%洪水时，原设计方案和推荐方案桥前壅水高度为0.26 m、0.06 m。综上所述，相比于原设计方案，推荐方案壅水高度明显更低，且大桥壅高的回水距离较短，满足河道防洪要求。

2.2 流速成果

当施放P=5%洪水时，现河道、原设计方案和推荐方案，建成后桥位河段流速流态分布与现河道流速相比，原设计方案和推荐方案河道流速均有增加；原设计方案左侧主河槽流速增加0.07 ～0.90 m/s；右侧河槽流速增加0.54～1.68 m/s。推荐方案左侧主河槽流速增加0.03～0.30 m/s；右侧河槽流速增加0.10～0.40 m/s。推荐方案桥位控制断面，主桥流速较现河道左汊增大了0.30 m/s，右侧桥头最大绕流流速为0.85 m/s，滩桥流速较现河道大0.41 m/s，桥头最大绕流流速为1.12 m/s，桦皮山桥流速较现河道右汊增大了0.43 m/s，桥头最大绕流流速为0.77 m/s。综上所述，应在两岸河岸处增加适当工程防护措施，以减小河道流速增加对桥位上下游河段岸坡造成的冲刷破坏，同时利于通航，使河势稳定。

图1 各方案各级典型洪水水面线

2.3 通航参数分析

某公路大桥桥位河段遵照《内河通航标准》的要求布置通航孔，利用左侧主河槽左起第1、2个桥孔进行通航，通航孔净宽为70 m，原设计方案和推荐方案通航试验成果为：

1）原方案。上、下行航线的直线段长度大于船长的4 倍、2 倍，航道净宽大于50 m，满足要求。施放Q=3130 m3/s（最大通航流量）与Q=125 m3/s（最小通航流量）时，桥位影响区域内部分河段航道最低通航水深小于1.2 m，不满足最小通航水深的要求。上下游航线直线段横向流速为0.05～0.83 m/s，桥位前后横向流速为0.24～0.58 m/s，部分大于0.30 m/s；上下游航线直线段水流流向和航线夹角为0°～13°，桥位前后夹角在10°左右，大于5°，横向流速值和夹角均不满足规范的要求。在最高通航水位下，桥梁通航净空满足规范的要求，达到了9 m，大于8 m。因此，原设计方案通航参数基本不满足规范要求。

2）推荐方案。上、下行航线的直线段长度大于船长的4 倍、2 倍，航道净宽大于50 m，满足要求。施放Q=3130 m3/s（最大通航流量）与Q=125 m3/s（最小通航流量）时，桥位影响区域内部分河段航道最低通航水深小于1.2 m，不满足最小通航水深的要求。上下游航线直线段横向流速均小于0.3 m/s，水流流向和航线之间夹角均小于5°，横向流速值和夹角均满足规范的要求。在最高通航水位下，桥梁通航净空满足规范的要求，达到了9 m，大于8 m。由此可见，推荐方案通航参数大部分都满足通航的要求，考虑到通航的最小水深要求，建议在航道局部位置清淤疏浚。

2.4 冲淤试验成果分析

河工模型模拟2009年嫩江河道实测地形，进行推荐方案的冲淤试验，对试验成果进行分析，动床模型经过系列年洪峰之后，河槽和滩地地形都没有发生较大变化，仅局部地形有所改变。桥位各河汊处发生冲刷，滩桥左、右侧桥头绕流处出现较明显冲刷，主桥右侧桥头绕流处未见明显冲刷。桥墩处没有较大连续形的淤坎，床沙质以沙波的形式向下游河道扩散，对桥上游水位、河道泄洪没产生不利影响。桥墩下游墩尾处产生长条形的淤积小丘，范围较小。桥墩局部冲刷冲坑的平面形状似马蹄形，冲坑最深点位于主桥通航孔的桥墩上游，冲刷深度为4.51 m。